為了找出答案，科學家們從 10 個蜂巢中收集了成像數據，這些蜂巢的蜂巢有故意的缺陷，這些蜂巢是蜜蜂在六角形框架上建造的。
由無數蜜蜂建造的蜂蠟製成的蜂窩對一個蜂群的存在非常重要。 此外，由於蜂蠟非常昂貴，他們需要降低蜂蠟與存儲在蜂巢中的比例——蜜蜂必須消耗大約四公斤的蜂蜜才能排出不到半公斤的蜂蠟。 蜂窩六邊形的自然鑲嵌減少了每單位存儲容量的邊界長度。 然而，當蜜蜂在已經存在的樹洞中築巢時，由於幾何限制，它們不得不混合各種大小和形狀的細胞，從而導致蜂巢中出現不規則的六邊形和拓撲缺陷。
控制具有幾何約束的蜂窩形成的機制仍然未知。
科羅拉多大學博爾德分校的博士生 Golnar Gharooni Fard 在生物物理學家 Orit Peleg 和航空航天工程師 Francisco López Jiménez 的指導下研究了蜜蜂如何適應這種自然環境。
Gharooni Fard 使用三維打印創建實驗框架，精確控制六邊形格子上的幾何挫折源（傾斜角 (A) 以及水平和垂直軸上的偏移量（L 和 h）），如第一個所示下圖。 這樣做是為了模擬幾何約束。 它僅對框架的明確定義的間隔元素添加了約束。
這種框架幾何形狀阻止了蜜蜂簡單地擴展六角形地基來填充空隙。
在對 10 個蜂巢進行了一系列實驗後，研究人員測量了蜜蜂克服籠平面不匹配的策略。 Gharooni Fard 及其同事在拍攝完整框架的照片後，使用計算機視覺技術識別單個蜂窩細胞。 利用這些圖像，他們重建了梳狀結構，揭示了腔內細胞形狀的不規則性，如下圖所示。 受重建梳中晶界與石墨烯晶界之間相似性的啟發，研究人員開發了一種基於晶體學的算法，將晶格中的晶胞中心放置在能最大限度減少 Lennard-Jones 勢能變化的位置。
研究人員創建了一種基於晶體學的方法，將細胞中心定位在晶格內的點上，使給定的 Lennard-Jones 勢能最小化。 該算法是基於重建梳中的晶界與石墨烯中的晶界之間的相似性而開發的。
研究人員的實驗結果和模型的預測在數量上是一致的。 例如，拓撲缺陷（相鄰單元多於或少於六個）是由一組幾何約束引起的，研究人員發現缺陷密度與兩個六邊形晶格的傾角之間存在顯著相關性。 毫不奇怪，當籠子之間沒有斜坡時，錯誤很少見，而且蜜蜂會定期建造正六邊形來連接它們。
實驗和模擬之間的一致性也證明了使用晶體學工具來理解由細胞與其環境之間的局部相互作用產生的蜂窩球形結構的價值。
資料來源：physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20221201a/
Günceleme: 02/12/2022 21:57
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